Maßstabsübertragung in der Zellernte

Dr. Manfred Mühl, Dr. Dirk Sievers

In der Praxis wird gerne vernachlässigt, dass ein im kleinen Labormaßstab entwickelter Aufreinigungsansatz nicht immer auch im großen Prozessmaßstab reibungslos funktionieren wird. Eine gute Maßstabsübertragung ist keineswegs eine Selbstverständlichkeit. Sie erfordert detaillierte Kenntnisse der Prozesse und der Werkzeuge, die zu ihrer Durchführung und Steuerung erforderlich sind. In der Zellkulturtechnologie verlangt dies für die Primäraufreinigung ein tiefgehendes Verständnis der Möglichkeiten und Limitierungen moderner Tiefenfilter-Plattformen. Die durchdachte und sorgsame Entwicklung neuer Prozesse der Arzneimittelherstellung birgt ein großes Potenzial für Rentabilitätssteigerungen. Die Weichenstellung für eine effiziente und wirtschaftliche Produktion erfolgt in der frühen Prozess-entwicklung.

Alle biologischen Prozesse unterliegen inhärenten Schwankungen, sodass beispielsweise in Zellkulturen die Trübung und die Vitalität, das Verhältnis der Anzahl lebender Zellen zur Summe der lebenden und toten Zellen, erheblichen Schwankungen unterliegen können. Der Scale-up leistungsstarker Aufreinigungsmethoden vom Labor in die Produktion stellt in der Biotechnologie folglich besondere Ansprüche. Sollten die Leistungsdaten der verwendeten Aufreinigungswerkzeuge ebenfalls schwanken, potenzieren sich die Probleme. In der Praxis können derartige Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Tiefenfiltern auf Zellstoffbasis auftreten, die sich in den vergangenen Jahren zur Wertstoffaufreinigung in der Zellkulturtechnologie fest etabliert haben.

Die Kompensation dieser Schwankungen und Unsicherheiten erforderte bislang den Einsatz deutlich größerer Filterflächen im Prozessmaßstab, als sie im Falle einer linearen Aufskalierung der Laborbedingungen erforderlich gewesen wären. Diese Vorgehensweise wird den Ansprüchen an eine hohe Prozesswirtschaftlichkeit nicht ansatzweise gerecht. Sie macht dafür deutlich, welches Sparpotenzial besteht, das sich bei optimaler Prozessgestaltung in barer Münze auszahlt.

Ein durchdachtes Systemdesign und eine geeignete Fahrweise der Tiefenfilter machen es möglich, die Maßstabsübertragung in der Zellernte biotechnologischer Prozesse signifikant zu verbessern. Ein solches Filterdesign basiert auf drei Kernaspekten, die eine Filterfamilie zur Verwendung vom Labormaßstab bis zum Prozessmaßstab zwingend erfüllen muss:

Das Supradisc-II-Design von Pall setzt diese Anforderungen um. Es basiert auf der Verwendung von stabilisierenden Kunststoffkomponenten, die die einzelnen Schichten auch großflächiger Tiefenfiltermodule sicher auf Abstand halten und die gesamte Filterfläche gleichermaßen und vollständig zugänglich machen. Flusswege und Flusswiderstände sind Tiefenfilterschicht für Tiefenfilterschicht identisch, sodass die Anströmung der Filterschichten auf identische Weise erfolgt.

Herkömmliche Tiefenfiltermodule haben oftmals das Problem, dass die Filterschichten durch die Spindel im Gehäuse und die Kompression am Zentralrohr gerade im Zentrum des Moduls dicht aufeinander liegen. Auf diese Weise entsteht ein Flusswiderstandsgradient, in dessen Folge der angelegte Differenzdruck im System nicht ausreicht, die Filterflächen vollständig zu nutzen. Eine zuverlässige Maßstabsübertragung wird verhindert.

Das Supradisc-II-Design bietet eine äußerst robuste Käfigstruktur, die sich selbst bei widrigen Prozessbedingungen durch hohe mechanische Stabilität auszeichnet und das komplette Tiefenfiltermodul für das anströmende Fluid in der angesprochenen Weise gleichmäßig zugänglich macht. Das Designkonzept ist sowohl in kleinen Komplettfiltern für den Labormaßstab als auch in großen Modulen und Kapsulen für den Prozessmaßstab umgesetzt.

Die Möglichkeit, die Fahrweise von Tiefenfiltern flexibel auf die Prozessbedürfnisse abzustimmen, hat ebenfalls großen Einfluss auf die Qualität der Skalierbarkeit. Damit ist gemeint, dass die Entscheidung, ob Tiefenfilter in der klassischen T-Variante verwendet werden, bei der sich Ein- und Auslass auf gleicher Höhe befinden, oder in der Inline-Variante, bei der die Anströmung von unten nach oben erfolgt, keineswegs dem Zufall überlassen werden sollte. Zwar sind im Falle kleiner Komplettfilter (z.B. Supracap 100), deren Fahrweise in erster Linie von der bestehenden Verrohrung abhängig gemacht werden kann, keine messbaren Unterschiede in der Filtrationsleistung zu erkennen. Im Falle größerer Systeme ist dies dagegen anders.

Die Stax-Tiefenfilter-Einwegplattform bietet die Möglichkeit, diese Beobachtung effektiv zur Steigerung der Filtrationsleistung im Prozessmaßstab zu nutzen. Das System mit seinen flexiblen Tiefenfilterkapsulen lässt sich sowohl im Bottom-in-Bottom-out-Verfahren (T-Variante) als auch im Bottom-in-Top-out-Verfahren (Inline-Variante) betreiben, wobei diese flexible Prozessführung durch zwei verschiedene Manifold Kits ermöglicht wird.

Der Flussweg durch das System unterliegt zwei Phänomenen. Einerseits muss das Fluid einen mechanischen Widerstand in Form dynamischer Druckdifferenzen überwinden, der aufgrund des beschriebenen Supradisc-II-Designs an jeder Stelle innerhalb der Kapsulen identisch ausfällt. Andererseits tritt ein Widerstand durch hydrostatische Druckunterschiede auf, die in Abhängigkeit der Systemhöhe bei voller Belegung mit maximal zehn großen Kapsulen bis zu 150 mbar ausmachen.

Diese hydrostatischen Druckunterschiede lassen sich ausgleichen, indem die Flüssigkeitspegel auf der Anström- und Abströmseite auf stets gleichem Niveau gehalten werden. Dies wird mit dem Bottom-in-Top-out-Verfahren erreicht. Im Vergleich zum (klassischen) Bottom-in-Bottom-out-Verfahren ergeben sich erhebliche Vorteile aufgrund des deutlich ausgeglicheneren Druckprofils, das die Maßstabsübertragung signifikant begünstigt.

Eine Skalierbarkeitsstudie verglich die Filtrationsleistung eines kleinen Supracap-100-Komplettfilters (0,1 m² Filterfläche), eines konventionellen Supradisc-II-Moduls (5 m²) zur Verwendung in Edelstahlgehäusen und mehrerer Stax-Tiefenfilter-Einwegsysteme unterschiedlicher Größe (2 m², 6 m², 20 m²). Anders als die kleinflächigeren Stax-Systeme, die aufgrund der vernachlässigbaren hydrostatischen Druckunterschiede ausschließlich im Bottom-in-Bottom-out-Verfahren betrieben wurden, kam für das großflächige Stax-System sowohl das Bottom-in-Bottom-out- als auch das Bottom-in-Top-out-Verfahren zum Einsatz.

Die Studie bestätigte den großen Einfluss der hydrostatischen Druckdifferenzen auf die Qualität der Skalierbarkeit. Eine nicht optimale Fahrweise großflächiger Systeme verursachte Abweichungen in der Maßstabsübertragung von mehr als 15 %. Die Fahrweise Bottom-in-Top-out ist ab einer Filterfläche von 5 m2 (im Falle doppellagiger Tiefenfilterschichten) bzw. 10 m2 (im Falle einlagiger Tiefenfilterschichten) zu empfehlen. Die Stax-Tiefenfilter-Einwegplattform kombiniert die Vorteile des eta-blierten Supradisc-II-Konzepts mit den Möglichkeiten einer flexiblen Fahrweise, die sich an den jeweiligen Prozessparametern orientieren lässt.

In Verbindung mit einer chargenübergreifenden Beständigkeit in der Herstellung von Tiefenfiltern (Kapsulen, Module, Schichten), die durch kontinuierliche Produktionsprozesse erreicht wird, schafft diese hervorragende Skalierbarkeit die Voraussetzung für eine effiziente und schnelle Entwicklung wirtschaftlicher Prozesse für die biotechnologische Produktion.

Online-Info www.cav.de/1109478